第二章 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

機(jī)械原理（第七版）2009年09月03日河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院普通高等教育“十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材主講教師：呂寶占第二章機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析2023/2/3§2-1機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的§2-2

機(jī)構(gòu)的組成§2-3

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖§2-4

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件§2-5

機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算§2-6計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)§2-7

平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析主要內(nèi)容§2-1機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容及目的主要內(nèi)容及目的是：研究機(jī)構(gòu)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的畫法；了解機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件；研究機(jī)構(gòu)的組成原理及結(jié)構(gòu)分類。

是兩構(gòu)件參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的表面。

是兩構(gòu)件直接接觸而構(gòu)成的可動(dòng)連接；§2-2機(jī)構(gòu)的組成1.構(gòu)件（link）零件是機(jī)器中的一個(gè)獨(dú)立制造單元體；構(gòu)件是機(jī)器中的一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元體。從運(yùn)動(dòng)來(lái)看，任何機(jī)器都是由若干個(gè)構(gòu)件組合而成的。

任何機(jī)器都是由許多零件組合而成的。氣缸體連桿體連桿頭曲軸齒輪活塞2.運(yùn)動(dòng)副（kinematicpair）運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副元素例2-1軸與軸承、滑塊與導(dǎo)軌、兩輪齒嚙合。連桿是內(nèi)燃機(jī)中的一個(gè)構(gòu)件，它由連桿體1、連桿蓋2、軸瓦3、4和5以及螺栓6、螺母7、開口銷8等零件構(gòu)成。

3）按其相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式分轉(zhuǎn)動(dòng)副（回轉(zhuǎn)副或鉸鏈）移動(dòng)副螺旋副球面副運(yùn)動(dòng)副還可分為平面運(yùn)動(dòng)副與空間運(yùn)動(dòng)副兩類。2）按其接觸形式分高副：點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副低副：面接觸的運(yùn)動(dòng)副3.運(yùn)動(dòng)副的分類1）按其引入的約束數(shù)目分：Ⅰ級(jí)副、Ⅱ級(jí)副、……Ⅴ級(jí)副。(1)運(yùn)動(dòng)副的分類（3）運(yùn)動(dòng)鏈構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副的連接而構(gòu)成的相對(duì)可動(dòng)的系統(tǒng)。閉式運(yùn)動(dòng)鏈（簡(jiǎn)稱閉鏈）開式運(yùn)動(dòng)鏈（簡(jiǎn)稱開鏈）平面閉式運(yùn)動(dòng)鏈空間閉式運(yùn)動(dòng)鏈平面開式運(yùn)動(dòng)鏈空間開式運(yùn)動(dòng)鏈（2）運(yùn)動(dòng)副符號(hào)運(yùn)動(dòng)副常用規(guī)定的簡(jiǎn)單符號(hào)來(lái)表達(dá)（GB4460－84）。各種常用運(yùn)動(dòng)副模型常用運(yùn)動(dòng)副的符號(hào)表

但當(dāng)機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)動(dòng)的機(jī)械上時(shí)則是運(yùn)動(dòng)的。

——按給定已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件；（4）機(jī)構(gòu)具有固定構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)鏈稱為機(jī)構(gòu)。機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件——機(jī)構(gòu)中的固定構(gòu)件?！獧C(jī)構(gòu)中其余活動(dòng)構(gòu)件。平面鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)常分為平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)兩類，其中平面機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛?？臻g鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

一般機(jī)架相對(duì)地面固定不動(dòng)，常以轉(zhuǎn)向箭頭表示。其運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定于原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的尺寸。機(jī)架原動(dòng)件從動(dòng)件機(jī)架從動(dòng)件原動(dòng)件不嚴(yán)格按比例繪出的，只表示機(jī)械結(jié)構(gòu)狀況的簡(jiǎn)圖。根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸，按一定的比例尺定出各運(yùn)動(dòng)副的位置，§2-3

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖在對(duì)現(xiàn)有機(jī)械進(jìn)行分析或設(shè)計(jì)新機(jī)器時(shí)，都需要繪出其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。1.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

例2-2

內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

采用運(yùn)動(dòng)副及常用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖符號(hào)和構(gòu)件的表示方法，將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞情況表示出來(lái)的簡(jiǎn)化圖形。機(jī)構(gòu)示意圖內(nèi)燃機(jī)舉例：（2）選定視圖平面；（3）選適當(dāng)比例尺，作出各運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)位置，再畫出各運(yùn)動(dòng)副和機(jī)構(gòu)的符號(hào)，最后用簡(jiǎn)單線條連接，即得機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。2.機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制繪制方法及步驟：（1）搞清機(jī)械的構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)情況，沿著運(yùn)動(dòng)傳遞路線，查明組成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)目、運(yùn)動(dòng)副的類別及其位置；內(nèi)燃機(jī)顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖繪制顎式破碎機(jī)壓床曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖火車上驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖練習(xí)一練習(xí)二§2-4

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件一個(gè)機(jī)構(gòu)在什么條件下才能實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)呢？?jī)蓚€(gè)例子例2-3鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)例2-4

鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)損壞。若給定機(jī)構(gòu)一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)不確定；若給定機(jī)構(gòu)兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)完全確定。

機(jī)構(gòu)的自由度機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，其數(shù)目用F表示。如果原動(dòng)件數(shù)<F,如果原動(dòng)件數(shù)>F,則機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)將不確定；則會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)最薄弱環(huán)節(jié)的損壞。結(jié)論：

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是：機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)等于機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目F。當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度大于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)時(shí)，不能說(shuō)機(jī)構(gòu)就無(wú)用。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也不一定是毫無(wú)規(guī)律的亂動(dòng)，而要受到最小阻力定律的支配，即:當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度大于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)時(shí)，機(jī)構(gòu)將優(yōu)先沿著阻力最小的方向運(yùn)動(dòng)。行星輪系爬樓機(jī)器人自由度F＝2兩自由度的剎車機(jī)構(gòu)可使兩片剎車片均勻地抱緊在輪轂上，自動(dòng)調(diào)節(jié)剎車片的均載，剎車效果比單一剎車片（單自由度）的更好。絞車制動(dòng)機(jī)構(gòu)，其自由度F＝2絞車制動(dòng)機(jī)構(gòu)

一個(gè)構(gòu)件未用運(yùn)動(dòng)副與其它構(gòu)件連接之前，有三個(gè)自由度。

當(dāng)用運(yùn)動(dòng)副連接后，構(gòu)件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)受到約束，失去一些自由度。運(yùn)動(dòng)副不同，失去的自由度數(shù)目和保留的自由度數(shù)目也不同。§2-5

機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算1.平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算（1）計(jì)算公式F＝3n－(2pl＋ph)式中：n為機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目；pl

為機(jī)構(gòu)的低副數(shù)目；ph為機(jī)構(gòu)的高副數(shù)目。(2)舉例1）鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×3－2×4－0＝12）鉸鏈五桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×4－2×5－0＝23）內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)＝3×6－2×7－3＝1§2-6

計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)直線機(jī)構(gòu)（圓盤鋸機(jī)構(gòu)）

如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副，且符合下列情況者，則為同一運(yùn)動(dòng)副，即只能算一個(gè)運(yùn)動(dòng)副?！?-6

計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)1.要正確計(jì)算運(yùn)動(dòng)副的數(shù)目

由m個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈，共有(m-1)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。（1）復(fù)合鉸鏈

（2）同一運(yùn)動(dòng)副

1）移動(dòng)副，且移動(dòng)方向彼此平行或重合；2）轉(zhuǎn)動(dòng)副，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合；

3）平面高副，且各接觸點(diǎn)處的公法線彼此重合。

是指機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件所產(chǎn)生的不影響其他構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的局部運(yùn)動(dòng)的自由度，如果兩構(gòu)件在多處接觸而構(gòu)成平面高副，但各接觸點(diǎn)處的公法線方向并不彼此重合，則為復(fù)合高副，相當(dāng)于一個(gè)低副（移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副）。（3）復(fù)合平面高副2.要除去局部自由度局部自由度以F′表示。

滾子繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)為一個(gè)局部自由度，

在計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)將F′從計(jì)算公式中減去，即例2-8滾子推桿凸輪機(jī)構(gòu)解F＝3n－(2pl＋ph)－F′故凸輪機(jī)構(gòu)的自由度為F＝3×3－(2×3＋1)－1＝13.要除去虛約束

虛約束是指機(jī)構(gòu)中某些運(yùn)動(dòng)副帶入的對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)起重復(fù)約束作用的約束，以p′表示。例2-9平行四邊形四桿機(jī)構(gòu)F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×3－(2×4＋0)－0＝1當(dāng)增加一個(gè)構(gòu)件5和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F，且BEAF，則∥＝F＝3n－(2pl＋ph)－F′＝3×4－(2×6＋0)－0＝0原因：構(gòu)件5和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F引入的一個(gè)約束為虛約束。

在計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度時(shí)，應(yīng)從機(jī)構(gòu)的約束數(shù)中減去虛約束數(shù)目p′，故F＝3n－(2pl＋ph－p′)－F′如平行四邊形五桿機(jī)構(gòu)的自由度為F＝3×4－(2×6＋0－0)－0＝1（1）軌跡重合的情況

在機(jī)構(gòu)中，如果用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的是兩個(gè)構(gòu)件上運(yùn)動(dòng)軌跡相重合的點(diǎn)，該連接將帶入1個(gè)虛約束。

例如橢圓儀機(jī)構(gòu)就是這種情況（圖中：∠CAD＝90°，BC＝BD）。

顯然，轉(zhuǎn)動(dòng)副C所連接的C2、C3兩點(diǎn)的軌跡重合，將帶入一個(gè)虛約束。（2）用雙副桿連接兩構(gòu)件上距離恒定不變的兩點(diǎn)的情況

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果兩構(gòu)件上兩點(diǎn)之間的距離始終保持不變，若用一雙副桿將此兩點(diǎn)相連，也將帶入一個(gè)虛約束。4．機(jī)構(gòu)中的虛約束常發(fā)生的幾種情況例如圖示平行四邊形機(jī)構(gòu)就屬于此種情況。顯然，構(gòu)件5和轉(zhuǎn)動(dòng)副E、F所聯(lián)接的兩點(diǎn)間的距離始終保持不變，故帶入一個(gè)虛約束。（3）結(jié)構(gòu)重復(fù)的情況

在機(jī)構(gòu)中，不影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞的重復(fù)部分所帶入的約束為虛約束。例如圖示輪系就屬于這種情況。顯然，從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳遞來(lái)看，僅有一個(gè)齒輪就可以了，而其余兩個(gè)齒輪并不影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞，故帶入了虛約束，且p′＝2。局部自由度虛約束

1.虛約束對(duì)機(jī)構(gòu)工作性能的影響（1）虛約束的作用（2）虛約束對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響虛約束是存在于某些特定幾何條件下的，但這些條件不滿足時(shí)，它就將成為實(shí)際有效的約束，從而影響到機(jī)構(gòu)的性能。例如平行四邊形機(jī)構(gòu)，若誤差較小，則機(jī)構(gòu)裝配困難，應(yīng)力將增大，運(yùn)動(dòng)不靈活；

若誤差較大，則機(jī)構(gòu)無(wú)法裝配，若勉強(qiáng)裝配，則傳動(dòng)效率低，易損壞。為了改善構(gòu)件的受力情況；增加機(jī)構(gòu)的剛度；保證機(jī)械通過(guò)某些特殊位置。

機(jī)構(gòu)中的虛約束數(shù)越多，制造精度要求越高，制造成本也就越高。

結(jié)論從保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活性和便于加工裝配方面來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量減少機(jī)構(gòu)的虛約束。因此，虛約束的多少是機(jī)構(gòu)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

不能再拆的最簡(jiǎn)單的自由度為零的構(gòu)件組，稱阿蘇爾桿組，簡(jiǎn)稱桿組?！?-7

平面機(jī)構(gòu)的組成原理、結(jié)構(gòu)分類及結(jié)構(gòu)分析1.平面機(jī)構(gòu)的組成原理1）基本桿組：

注意在桿組并接時(shí)，不能將同一桿組的各個(gè)外接運(yùn)動(dòng)副接于同一構(gòu)件上，否則將起不到增加桿組的作用。

任何機(jī)構(gòu)都可看作是由若干個(gè)基本桿組依次連接于原動(dòng)件和機(jī)架而構(gòu)成的。2）機(jī)構(gòu)組成原理：（1）基本桿組的條件3n－2pl－ph＝0式中n、pl及ph分別為基本桿組中的構(gòu)件數(shù)、低副數(shù)和高副數(shù)。全為低副桿組的條件3n－2pl＝0或n/2＝pl/3（2）桿組的基本類型1）Ⅱ級(jí)桿組由2個(gè)構(gòu)件和3個(gè)低副構(gòu)成的桿組。2）Ⅲ級(jí)桿組由4個(gè)構(gòu)件和6個(gè)低副構(gòu)成的桿組。3.平面機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析（1）分析的目的了解機(jī)構(gòu)的組成，確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。（2）分析的方法1）先計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，并確定原動(dòng)件；

2）從遠(yuǎn)離原動(dòng)件的構(gòu)件先試拆Ⅱ級(jí)組，若不成；再拆Ⅲ級(jí)組，直至只剩下原動(dòng)件和機(jī)架為止；3）最后確定機(jī)構(gòu)的級(jí)別。（3）舉例破碎機(jī)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析：1